JP2019142482A - 船首波を最小化するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】船が前進するために押しのけなければならない水の量を著しく低減する方法を提供する。【解決手段】船体の船首１０７のすぐ前方の高圧ゾーンから大量の水を連続的に吸い込み、これらの水を、前記船体の船尾後方の低圧ゾーンへと移送することにより達成され得る。その結果、船首波の形成が大幅に低減され、船殻による乱流が低減し、渦の形成が低減する。これらは全て、エネルギーを低下させる抵抗が低減されることを意味する。また、プロペラ効率も増大される。上記の全てが協働することで、かなりの燃料節約が得られるであろう。【選択図】図１

Description

本発明は、既存の船体に後付けされるか又は新造船に組み込まれる、船首波を最小化するシステムに関する。

数年前に原油価格の米ドル５０．００／バレルの心理的障壁が突破されて以来、船のオーナー達は船の運航コストを節減するための方法を模索してきた。

船主の大多数が「規模の経済性」を選択し、最大の船は非常に巨大になったため、このような船を作動させるのに必要なエンジンは１０万馬力（７４５７０ｋｗ）を超え、最大電力で運転する場合、１時間につき１６トンの化石燃料が燃やされる。これらの船は、貨物が満載の場合は経済的に操業されるが、積載が部分的な場合には生産性が低下する。

別の方法は、「バルバスバウ」（‘ｂｕｌｂｏｕｓ ｂｏｗ’）（球状船首）を有する船を構築することである。バルバスバウはかなりの燃料節約を達成するが、「速度固有」（‘ｓｐｅｅｄ ｓｐｅｃｉｆｉｃ‘）で「負荷固有」（‘ｌｏａｄ ｓｐｅｃｉｆｉｃ‘）である。

「スロースチーミング」（‘ｓｌｏｗ ｓｔｅａｍｉｎｇ’）を採用する船主もいるが、この方法は法的に悪い影響を与える。

喫水（ドラフト）が大きく船首が鋭くない船体は、水中を進行するために非常に迅速に水を押しのけなければならない。このように水が押しのけられているときの水の高い加速は大量のエネルギーを必要とする。

非常に高圧のゾーンが船首より前方に形成され、このゾーンに、船首より前方の水の「膨張」の静水圧が加えられ、その後、前記「膨張」は崩壊し、船首波として左舷及び右舷に落ちる。次いで、船首波は、発散波と収束波とに分解する。発散波は最終的に消散し、収束波は、船体と衝突して船体乱流を生成する。この乱流が、船体の運動エネルギー消費に悪影響を与える。

船体が前進すると、同時に、船尾が水中で占有していたスペースが空いて、船尾に低圧ゾーンが形成される。

この低圧ゾーンに船尾波が突入し、船尾の後ろに乱流を発生させる。乱流は、プロペラより前方の「予旋回」領域にも発生する。これはプロペラ効率を低下させ、また、キャビテーションのリスクももたらす。

現在まで、上述の問題の幾つかに対処している唯一の発明は、「バルバスバウ」（“Ｂｕｌｂｏｕｓ Ｂｏｗ”）のみである。これは多くの大型船舶に採用されており、最適な条件下で最大１２％の燃料節約が達成されている。しかし、この設計は「速度固有」及び「負荷固有」である。より低速で荷重（喫水）が少ない場合、利益は最小である。また、船員たちは、大きく重いバルバスバウが、船舶が悪天候下で波に乗る性能を低下させ、また、特に船に貨物が満載されたときに難破する危険性が常に存在することも心配している。

本発明の目的は、船体のエネルギーを奪う大きな船首波の形成を低減するための方法と、燃料消費量及び汚染を低減するための方法とを提案することである。

本発明の構造物は、本発明に専用の又は本発明のために改変される大型貨物船から成り、前記貨物船に、船首から船尾まで延在する４本以上の大きい管状導管が、船体の二重領域に組み込まれる。前記導管又はトランキングの断面は、利用可能な空間に適合するように、且つ、利用可能な空間を最大限に利用できるように、楕円形若しくは正方形であっても、又はそれらの組合せであってもよい。

高性能の「大容量低圧」軸流ポンプ（Ａ−Ｆポンプ）が各導管に取り付けられている。前記ポンプは、前方貨物室よりも前方の空いているスペース又はその他の都合のよい任意の位置に設置され得る。全てのＡ−Ｆポンプは、船首よりすぐ前のゾーンから大量の水を連続的に吸い込んで、これらの水を船尾にて押し出すように設計されている。これにより、船が進行するための低圧ゾーンが形成され、また、もはや船が高圧の水壁に「強行的に進入」（‘ｆｏｒｃｅ’）する必要がなくなる。こうして船首波が最小化される。

ポンプへの吸水供給は、ポンプより上にある水の静水頭により加圧される。静水頭は、最大級の船舶において満載喫水線まで貨物を積載されている場合、最大２０メートルになり得る。

船の正中線に沿って延在する２本の導管が、加圧された水をプロペラシュラウドに直接放出するため、予旋回領域が、滑らかに流れる加圧水を有することになり、これにより、前記プロペラに積極的に水を送出して、キャビテーションのリスクを低減する。前記プロペラは、より高い効率のために水を「十分で確実に咬み込むこと」（“ｇｏｏｄ ｓｏｌｉｄ ｂｉｔｅ’）ができるであろう。

前記プロペラには、ベル形状のシュラウドが設けられており、前記シュラウドは、その内部に水を導き入れるためにあり、また、プロペラにより強制的に後退される全ての水を受け入れて導くためにある。これらの水は全て、側方に逃げることができず、従って、前記プロペラからエネルギーを受けた全ての水が、前記シュラウドのノズルを通して、大きい噴流の形で強制的に放出され、これにより船体を前進させる。

船体に６本の軸流導管が具備されている場合、中間導管（２番目の導管及び５番目の導管）が、大量の水を、船尾のすぐ後ろの低圧ゾーンに放出する。これが、船体が前進して、船体が水中で占めていたスペースが空くときの、低圧水が船体に与える「吸い込み作用」を低減するように機能する。

３番目の導管及び４番目の導管は、前記プロペラシュラウドに水を放出することで、最大の「咬み」（“ｂｉｔｅ”）をもたらして、最大プロペラ効率を維持する。

船に８本の軸流導管が具備されている場合には、中間導管（２番目の導管及び３番目の導管、並びに、６番目の導管及び７番目の導管）が、水を船尾の後ろの低圧ゾーンに放出して、船体の前進により生じる吸い込み作用及び低圧を低減するように機能する。

ばら積み貨物船は、船梁が３０メートルにも達し、非常に幅広であり得る。このような場合、Ａ−Ｆポンプの設置のために指定された８つの位置の各々において、各位置を、２つ以上のＡ−Ｆポンプのセットを並列に取り付けるために利用可能である。Ａ−Ｆポンプの各セットを、共通のマニホールドに放出するように配置してもよい。これにより、数十本もの導管を船体長さに沿って敷設する必要がなくなる。これにより、重量及びコストが低減されるだろう。

大型船は、機器のリフティング、バラスト調整、アンカーの設置及び回収などのために動力を供給するための補助エンジンを有する。これらの機能は、船の運行中はアイドリング状態にあるため、動力をＡ−Ｆポンプのために使用できる。必要であれば、追加の補助エンジンを取り付けることができる。

水の境界層の流速は、粘性のために遅くなる。また、船体曲率が高い領域（特に船尾（ａｆｔ−ｂｏｄｙ）ゾーン）においては、水流が移動壁となって、船尾伴流からの乱流をブロックし、且つ、船尾ビルジ渦の形成を防止し、これにより、エネルギーを消費させる抵抗がさらに低減される。

プロペラ動作の効率向上に加え、エネルギー損失の低減（船首波形成の低減、船体抵抗の低減、渦形成の低減、キャビテーションの低減、プロップスリップの低減、そして、最も重要な、船首より前方のゾーンにおける圧力の低減による）により、船は、燃費を向上させながら航行速度を維持できるであろう。なぜなら、エネルギー損失の低減の全てにより、スロットル設定が小さくされるからである。「スロースチーミング」は、もはや選択肢ではない。

最小船首波システムは「新造船」（‘ｎｅｗ ｂｕｉｌｄ ｓｈｉｐ’）で使用されることも、また既存の船に後付けすることもでき、それによりコストが節減されるが、より重要なことは、多くの時間を節減されることであろう。なぜなら、地球温暖化の速度が以前の推定よりもはるかに速くなっているからである。

船の側面図であり、船のビルジ領域における導管の相対位置を示す（プロペラシュラウドは図示されていない）。 プロペラ高さにおける船体船の水平断面図であり、船首から船尾まで延在する８本の導管のレイアウトを示す。 ばら積み貨物船（バルクキャリア）の船首の鉛直断面図であり、導管（１０１）が示されている。 導管（１０１）を通る水平断面図であり、軸流ポンプより後ろの短い距離にて、導管（１０１）は平坦な箱形状のトランキング（３０１）になり、この形状を船の船尾まで完全に維持している。

図１において、符号１０１は、船の船首から船尾まで延在する導管を示している。符号１０２は、導管の漏斗形状の開口部を示し、この開口部は、海面に向かってさらに傾斜されている。符号１０３は、導管の開口部から短い距離にて導管内に配置されたＡ−Ｆポンプを示す。電動Ａ−Ｆポンプは、前方貨物室より前方の船首の「クランプルゾーン」に配置され得る。符号１０４は、船舶の船尾の導管のプロペラ高さでの先細状の出口パイプを示す。符号１０５は、船の舵を示す。符号１０６は、船に貨物が満載されたときの水位ライン、すなわち満載喫水線（プリムソルライン）を示す。符号１０７は、船首を示す。符号１０８は船のプロペラを示す。符号１０９は船のメインエンジンを示す。符号１１０は、軸流ポンプに動力を供給するための補助発電機セット（必要ならば）を示す。図２において、符号１０８は、船の単一プロペラを示す。符号２０２は、シュラウドの開口部と船殻との間の環状の間隙を示す。符号２０３はプロペラシュラウドを示す。符号１０４は、プロペラに向かって傾斜された管状導管の排出端部を示す。（これは、船の正中線に沿った２本の導管にのみ適用される）。符号２０４は、高圧の水を後方に真直に排出する４本の中間導管を示す。符号２０５は、最も外側の導管（ｃ．１，ｃ．８）を示し、これらの導管において、排出ノズルが先細状にされて強力な水噴流を生成し、これが、船尾における渦の形成を阻止する。図３において、船体の幅に応じて４本以上の導管が存在し得る。図３ａにおいて、トランキングの平坦な箱形状は、導管トランキングの設置により失われる鉛直方向スペースの量を低減するように設計されている。
最初に図１を参照すると、４本（或いは、船が非常に広い場合には最大８本）の導管（１０１）が、大型貨物船のビルジ領域に組み込まれている（この側面図においては、１本の導管のみが示されている）。船首における導管の開口部（１０２）は漏斗形状であり、上方に傾斜している。強力な軸流ポンプ（１０３）が導管（１０１）内に、管の口（開口部）から短い距離の位置にて組み込まれている。軸流ポンプ（１０３）が動作しているとき、大量の水が船首の開口部（１０２）を通して導管（１０１）に吸い込まれる。ビルジ高さにてこれが静水圧および大気圧を受けることによって低圧ゾーンを生成し、水が奔入する（ドラフト（喫水）が２０メートルの場合、静水圧は２８．１ｐｓｉ（約１９３．８ｋＰａ）になる。これに加えて、大気圧が１４．７ｐｓｉ（約１０１．４ｋＰａ）の場合、全圧は４２．８ｐｓｉ（２９５．２ｋｐ）になる）。

このように、非常に大量の水が、船の船首より前方のゾーンから連続的に吸い込まれて、船尾の後ろのゾーンに移送（移動）されることになる。

このように、船よりも前方で連続的に発生される低圧ゾーンにより、船が容易に前進することが、水を押しのけるための大量のエネルギーを消費する必要なく可能にされる。船首波が最小化され、船体抵抗も最小化される。

図２は、プロペラ高さでの船の水平断面を示す（等尺ではない）。船の単一の大型プロペラ（１０８）が、ベル形状のシュラウド（２０３）により取り囲まれている様子が示されている。シュラウド前方（吸水）端に環状の間隙（２０２）が存在する。船の正中線に沿った２本の導管（１０１−ｃ．４，ｃ．５）が出口端（１０４）にて先細になっている。排出された水の流れがシュラウド（２０３）内に導かれ、シュラウドによりガイドされてプロペラ（１０８）に供給される。

出口パイプ（１０４）からの急速ジェット水流が、船尾ゾーンからの水を、環状間隙（２０２）を通してシュラウド内に引き込む。これが水の流れを最大にし、尚且つ、プロペラ（１０８）に流入する水流を滑らかにしてプロペラ効率を高め、また同時に、キャビテーションのリスクを低減する。

次いで、水はプロペラ（１０８）からエネルギーを吸収し、エネルギーを含んだ水が船体を前方に推進させる。シュラウド（２０３）は、エネルギーを含んだ水が放射状に放出されて浪費されることを防ぐ。

船体が前方に移動するとき、船体は瞬間的な空隙（ボイド）を残すことになり、この空隙に水が奔入する。船尾の後ろのこの低圧ゾーンの水流の乱流は激しい。大型船のプロペラ（１０８）は、泡立ち及び乱流が激しい水を吸い込まなければないであろう。水に十分なエネルギーが与えられて推力を出力できる前に、水中の泡又は空気のいずれも圧縮されなければならない。また、キャビテーションのリスクもある。

中間導管（２０４）が、船尾の後ろの低圧ゾーンに大量の水を放出し、そして、プロペラが、最大限のプロペラ効率のために水を「十分に確実に咬み込む」ことを保証するであろう。

また、プロペラシュラウド（２０３）の環状ギャップ（２０２）を通して水をさらに引き込むことも（必要ならば）可能である。

最も外側の導管（ｃ．１，ｃ．８）は、強い水噴流（２０５）を提供するために先細状にされており、強い水噴流は、船尾ゾーンにおける渦の形成を阻止するように真直に後方に噴出する。これもまた、抵抗の低減を補助する。

船舶の補助エンジンは船舶の走行中は補助的に使用されるため、Ａ−Ｆポンプを駆動させるために使用できる。必要であれば、追加の補助エンジンを設置できる。

図３は、典型的な大型貨物船の鉛直断面図である（等尺でない）。３０１は貨物倉庫である。３０２は、貨物倉（３０１）の下のバラストタンクである。３０３は、導管の前方の円形断面部分である。１０３は、導管の円形断面部分に配置された軸流ポンプである。３０４は、バラストタンク（３０２）の下方を通って船尾まで完全に延在している導管の平坦な長方形断面部分である。導管を、二重底部間の空間に配置することもできる。導管の平坦な輪郭により、占有される鉛直方向のスペースが、より少なくなる。３０５は、船首（１０７）のすぐ後ろの、船首（１０７）と前方貨物室（３０１）との間にある空きスペース（クランプルゾーン）である。この空間に、軸流ポンプ（１０３）及び補助発電機（１１０）（必要ならば）を適宜配置できる。

図３ａは、軸流ポンプ１０３が導管内（円形断面部分）に配置されている様子を示す。３０３は、吸水口から軸流ポンプ（１０３）の後ろの短い距離に延在する円形断面導管である。３０４は、導管の平坦な長方形断面部分であり、船の船尾まで完全に延在している。導管の平坦な輪郭は、鉛直方向のスペースを節約するために設計されたものである。

Claims (11)

1. 水域、例えば海又は河路に配置される構造物であって、前記構造物が貨物船を含み、前記貨物船が、燃料経済性を達成するための新造船であっても、改良される既存の船であってもよく、前記燃料経済性が、船首波の形成の低減、船体抵抗の低減、及びキャビテーションの低減、並びに、プロペラの効率の最大化により達成される、構造物。
2. 前記改良が、前記貨物船に複数の導管を、前記船体の二重底の間の空間に備え付けるステップを含み、前記導管が、船首から船尾まで延在して、大量の水を前記船首より前方の高圧ゾーンから前記船尾後方の低圧ゾーンへと連続的に移送するように機能し、この作用により、前記船体が、相対的低圧ゾーンへと前方移動でき、船体が出会う抵抗をかなり低減でき、それにより、船首波の形成が最小化される、請求項１に記載の構造物。
3. 大容量の低圧軸流ポンプが、各導管内に、各導管の吸水端から短い距離にて備え付けられ、前記軸流ポンプが電動モータにより駆動される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記軸流ポンプ及び前記モータが、前記船首のすぐ後ろの、前記船体の前記船首と前方貨物室との間の空きスペースに設置される、請求項１、２及び３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記軸流ポンプが、前記船体船首より前方の前記高圧ゾーンから大量の水を連続的に吸い込み、これらの水を、前記導管を通して移送して前記船尾より後ろの低圧ゾーンへと排出させる、請求項１、２、３及び４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記船体が相対的低圧ゾーンへと前進すると、水による抵抗が低減され、なぜなら、前記複数の軸流ポンプの作用により、大量の水が前記船体のすぐ前方から既に「移動され」、且つ「移動され」続けるためであり、前記軸流ポンプの作用が水を、前記複数の導管を通して、前記の船尾より後ろの前記低圧ゾーンに排出するように移送し、実際、船が出航する前に前記軸流ポンプが最初に先行作動されて低圧ゾーンを生成し、この低圧ゾーンの生成により、前記船が、同様には低圧ゾーン生成するように改変されていないその他の船と比較してかなり少ない動力で容易に航行できる、請求項１、２、３、４及び５のいずれか一項に記載の方法。
7. プロペラシュラウドが設けられ、前記プロペラシュラウドが、前記船尾の下部に、前記船のプロペラを囲むように取り付けられており、前記シュラウドが、水を前記プロペラに供給するためにガイド及び導入し、前記プロペラが水を引き込んで後方に押すと、エネルギーが水に与えられ、これらの水の一部は遠心力により側方に逃げようとするが前記シュラウドがこれを阻止し、前記エネルギーを含んだ全ての水が巨大な水噴流の形態で前記シュラウドのノズルから出ていくことを保証して、前記船体の推進を補助するためのさらなるを推力を与える、請求項１、２、３、５、６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記船体の正中線に沿った前記２本の導管が、水を前記プロペラシュラウド内に直接放出して前記プロペラの予旋回領域内に導入するように配置されており、このような加圧水の追加供給により、前記プロペラが最大効率で機能するために必要な全ての水を確実に得ることを保証し、尚且つ、キャビテーションのリスクが低減され、前記シュラウドの開口部における環状の隙間が、必要に応じて追加の水が自動的に引き込まれることを可能にしている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記船体が前方移動するとき、前記船体により空けられた空間に瞬間的な低圧が生成され、水が全方向から奔入して乱流を生成することになり、また同時に、前記低圧ゾーンが吸引力を前記船体の船殻に加えることで前記船体の移動を妨害し、この抵抗力の全てをエンジンの力により克服しなければならないという、前記低圧の前記不都合な影響を、中間導管が大量の加圧水を連続的に前記船尾の後ろの前記低圧ゾーンに放出することで克服し、尚且つ少量の推力を与える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記船体の各側方に１本ずつ存在する最も外側の導管が、前記船体船尾から後方に真直に噴射される「移動する水の壁」を配送するように設計されており、それにより、前記船尾でのビルジ渦の形成を阻止し、これが、抵抗を低減するように、且つ、前記船体のエネルギーを節約するように作用する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
11. ばら積み貨物船に貨物が満載されて満載喫水線まで下がり、船が水中で「低く下がって」航行している場合、悪天候中に大きく危険な船首波がデッキ及び前方ハッチに衝突する危険性を最低限にするように船首波の形成を最小化し、それにより、非常に重い重量の海水が前記前方ハッチに連続的に衝突することによる前記前方ハッチの損傷の可能性を排除する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。